Τα τελευταία χρόνια, ο τομέας της αεροδιαστημικής - συμπεριλαμβανομένων των εμπορικών και στρατιωτικών αεροσκαφών, δορυφόρων, διαστημικών σκαφών, drones και μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV) - έχει υποστεί ορισμένες σαρωτικές αλλαγές. Ένας αυξανόμενος αριθμός εταιρειών έχουν ενταχθεί στον διαστημικό αγώνα, πολλές από τις οποίες απαιτούν καινοτόμες τεχνολογίες παραγωγής.
Αντίθετα, ο αντίκτυπος των ταξιδιωτικών περιορισμών που προκαλούνται από την πανδημία στην εμπορική αεροπορία οδήγησε σε πτώση κατά ένα τρίτο των ποσοστών κατασκευής πολιτικών αεροσκαφών.
Το 2019, η Ευρώπη ήταν ένας από τους παγκόσμιους ηγέτες στην παραγωγή πολιτικών αεροσκαφών και ελικοπτέρων (συμπεριλαμβανομένων διαφόρων εξαρτημάτων και κινητήρων αεροσκαφών), παρέχοντας περίπου 400,{2}} θέσεις εργασίας και δημιουργώντας έσοδα 130 δισεκατομμυρίων ευρώ. Ενώ η εξερεύνηση και η άμυνα του διαστήματος δεν επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από την πανδημία του New Crown, η παραγωγή και η κατασκευή πολιτικών αεροσκαφών βρίσκονται ακόμη σε φάση ανάκαμψης.
Στη δημοσίευσή της τον Φεβρουάριο του 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, η κορυφαία εταιρεία συμβούλων και ερευνών McKinsey αναφέρει ότι ο κόσμος πρέπει να απορροφήσει ένα πλήθος παραγγελιών για την κατασκευή 9.400 επιβατικών αεροσκαφών (κυρίως αεροσκάφη στενής ατράκτου) μέχρι το τέλος του 2027. Αλλά υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με τη μελλοντική ανάπτυξη των αεροπορικών μεταφορών επιβατών, την αλυσίδα εφοδιασμού και την ευρωστία του εργατικού δυναμικού. Ως αποτέλεσμα, οι κατασκευαστές πρέπει να βελτιώσουν την παραγωγικότητα και την ευελιξία για να χειριστούν τις καθυστερήσεις και να ανταποκριθούν στις μελλοντικές αλλαγές στη ζήτηση.
Η ικανότητα της επεξεργασίας λέιζερ να αυξάνει την παραγωγικότητα και να διατηρεί το κόστος σε χαμηλά επίπεδα μπορεί να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ενεργοποίηση αυτής της απόκρισης στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Η επεξεργασία με λέιζερ - με τη μορφή εργασιών κοπής, συγκόλλησης, διάτρησης και διάτρησης - έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος της αεροδιαστημικής κατασκευής.
Για παράδειγμα, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερυγίων πτερυγίων αεροσκαφών, συνδετήρων φτερών, εξαρτημάτων κινητήρα τζετ και εξαρτημάτων καθισμάτων, καθώς και για την επισκευή τουρμπινών, τον καθαρισμό ή την αφαίρεση χρώματος από εξαρτήματα και την προετοιμασία των επιφανειών των εξαρτημάτων για περαιτέρω επεξεργασία. Τα τελευταία χρόνια, η κατασκευή προσθέτων λέιζερ (AM) έχει γίνει επίσης όλο και πιο δημοφιλής στον τομέα των αεροδιαστημικών πτήσεων. Επιπλέον, η αγορά θέλει να βελτιώσει την ιχνηλασιμότητα των εξαρτημάτων της αεροδιαστημικής και με αυτό, η ζήτηση για σήμανση λέιζερ αυξάνεται.
Κοπή και συγκόλληση με λέιζερ
Η κοπή με λέιζερ είναι μια γρήγορη, οικονομικά αποδοτική και ακριβής διαδικασία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει τις απαιτητικές απαιτήσεις κατασκευής του αεροδιαστημικού τομέα.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή επεξεργασία, η κοπή με λέιζερ προσφέρει υψηλή ακρίβεια, λιγότερα απόβλητα υλικών, μεγαλύτερες ταχύτητες επεξεργασίας, χαμηλότερο κόστος και λιγότερη συντήρηση εξοπλισμού. Επιπλέον, η παραγωγικότητα μπορεί να μεγιστοποιηθεί επειδή επιτρέπει την γρήγορη και εύκολη πραγματοποίηση τυχόν απαραίτητων αλλαγών στη διαδικασία.
Το λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή εξαρτημάτων στερέωσης πτερυγίων, εξαρτημάτων στερέωσης, εξαρτημάτων τελικού αποτελέσματος, εξαρτημάτων εργαλείων κ.λπ. Είναι εξίσου κατάλληλο για μικρά εξαρτήματα, όπως παρεμβύσματα λαδιού μοσχεύματος και πολλαπλές πιλοτικών σωλήνων τιτανίου, καθώς και μεγαλύτερα εξαρτήματα, όπως ως κώνοι εξάτμισης. Μπορεί να επεξεργαστεί μια ποικιλία υλικών αεροδιαστημικής, όπως αλουμίνιο, Hastelloy (νικέλιο που έχει κραματωθεί με στοιχεία όπως μολυβδαίνιο και χρώμιο), Inconel, Nitinol, Nitinol, ανοξείδωτο χάλυβα, ταντάλιο και τιτάνιο.
Η συγκόλληση με λέιζερ χρησιμοποιείται επίσης στην αεροδιαστημική ως εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους σύνδεσης, όπως η συγκόλληση με κόλλα και η μηχανική στερέωση. Για παράδειγμα, η χρήση συγκόλλησης με λέιζερ ελαφρών κραμάτων αλουμινίου και πολυμερών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (CFRP) στην κατασκευή αεροσκαφών εκτιμάται ολοένα και περισσότερο και χρησιμοποιούνται όπου είναι δυνατόν για την αντικατάσταση των αρμών με πριτσίνια. Τεχνολογίες όπως η συγκόλληση με αιώρηση με λέιζερ ήταν επίσης επιτυχείς στις συνδέσεις δεξαμενών καυσίμου, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την αντοχή της σύνδεσης, μειώνοντας την επανεπεξεργασία και παρέχοντας σημαντική εξοικονόμηση κόστους. Άλλες επιτυχίες συγκόλλησης στην αεροδιαστημική περιλαμβάνουν την προσάρτηση χυτών πυρήνων πτερυγίων στροβίλου σε καλύμματα. και δημιουργία νέων τύπων ελαφρών πτερυγίων που αυξάνουν τον έλεγχο της στρωτής ροής, ελαχιστοποιούν την αντίσταση και βελτιστοποιούν την απόδοση καυσίμου.
Με τη δυνατότητα εξοικονόμησης κόστους, μείωσης βάρους εξαρτημάτων και βελτιωμένης ποιότητας συγκόλλησης σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους, αρκετοί κατασκευαστές στην αγορά εξετάζουν ακόμη και τώρα τη συγκόλληση με λέιζερ για εξαρτήματα σκελετού αεροπλάνου.
Καθαρισμός με λέιζερ
Οι κατασκευαστές στον αεροδιαστημικό τομέα χρησιμοποιούν καθαρισμό με λέιζερ για την αφαίρεση στρώσεων από μεταλλικές και σύνθετες επιφάνειες κατά την προετοιμασία για μηχανική κατεργασία, για την αφαίρεση επικαλύψεων ή διάβρωσης και για την αφαίρεση χρώματος από μεγάλα μέρη ή ολόκληρα αεροσκάφη πριν από τη βαφή.
Κατά τη διαδικασία καθαρισμού, το φως του λέιζερ απορροφάται και εξατμίζεται από το επιφανειακό στρώμα του μετάλλου, με αποτέλεσμα την αφαίρεση του υλικού της επιφάνειας με μικρή έως καθόλου επίδραση στο εσωτερικό στρώμα και καμία παράπλευρη θερμική βλάβη στο εξάρτημα. Τα λέιζερ παλμικών ινών κλάσης κιλοβάτ είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για γρήγορο καθαρισμό με λέιζερ - μπορούν να καθαρίσουν ένα ευρύ φάσμα υλικών, όπως κεραμικά, σύνθετα υλικά, μέταλλα και πλαστικά, με υψηλή απόδοση και ακρίβεια.
Η χρήση σύνθετων υλικών στα αεροσκάφη έχει αυξηθεί τα τελευταία χρόνια, όπως και η ανάγκη σύνδεσης μετάλλων με σύνθετα υλικά. Στην αεροδιαστημική κατασκευή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κόλλες για την ένωση αυτών των δύο διαφορετικών υλικών και για να δημιουργηθεί ένας ισχυρός δεσμός, οι δύο επιφάνειες πρέπει να προετοιμαστούν προσεκτικά για επεξεργασία πριν από την εφαρμογή της κόλλας.
Ο καθαρισμός με λέιζερ είναι η ιδανική επιλογή γιατί δημιουργεί ένα πολύ αυστηρά ελεγχόμενο, αναπαραγώγιμο επιφανειακό αποτέλεσμα που είναι ικανό να επιτύχει μια σταθερή, προβλέψιμη σύνδεση. Παραδοσιακά, αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί μέσω τεχνικών καταστροφικής ανατίναξης ή με την εφαρμογή πολλών χημικών ουσιών. Ωστόσο, ο καθαρισμός με λέιζερ προσφέρει τώρα μια προσέγγιση ενός βήματος που όχι μόνο είναι πιο αποδοτική και παραγωγική, αλλά έχει και πολύ μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο, καθώς δεν απαιτούνται τοξικά χημικά ή υλικά ανατίναξης. Ο καθαρισμός με λέιζερ είναι επίσης πολύ πιο ήπιος στα εξαρτήματα από τις παραδοσιακές μεθόδους.
Ο καθαρισμός με λέιζερ μεταλλικών και σύνθετων εξαρτημάτων αεροσκαφών είναι επίσης πιο ευεργετικός από τις τεχνικές χημικής απογύμνωσης ή ανατίναξης όταν πρόκειται για απογύμνωση βαφής. Κατά τη διάρκεια της ζωής του, ένα αεροσκάφος μπορεί να ξαναβαφεί 4-5 φορές και μπορεί να χρειαστεί μια εβδομάδα ή περισσότερο για να αφαιρεθεί το χρώμα από ένα ολόκληρο αεροσκάφος χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές. Αντίθετα, ο καθαρισμός με λέιζερ μπορεί να μειώσει αυτόν τον χρόνο σε 3-4 ημέρες, ανάλογα με το μέγεθος του αεροσκάφους, και παρέχει επίσης στους εργαζόμενους ευκολότερη πρόσβαση στα εξαρτήματα. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιείται για αφαίρεση χρώματος αντί για χημική απογύμνωση ή ανατίναξη, ο καθαρισμός με λέιζερ μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση κόστους - χιλιάδες λίρες ανά αεροσκάφος - επειδή τα επικίνδυνα απόβλητα μειώνονται κατά περίπου 90 τοις εκατό ή περισσότερο και οι απαιτήσεις χειρισμού υλικών μειώνονται.
Λέιζερ Blasting% 2fLaser Impact Peening
Οι τάσεις στα μεταλλικά εξαρτήματα μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία μεταλλικής κόπωσης σε εξαρτήματα του αεροσκάφους, όπως πτερύγια ανεμιστήρα σε κινητήρες αεριωθουμένων, η οποία μπορεί να προκαλέσει βλάβη ή τραυματισμό. Αυτό μπορεί να μετριαστεί με μια τεχνική γνωστή ως peening με λέιζερ.
Σε αυτή τη διαδικασία, οι παλμοί λέιζερ κατευθύνονται σε μια περιοχή υψηλής συγκέντρωσης τάσης και κάθε παλμός αναφλέγει μια μικροσκοπική έκρηξη πλάσματος μεταξύ της επιφάνειας του εξαρτήματος και ενός στρώματος νερού που ψεκάζεται από πάνω. Το στρώμα νερού περιορίζει την έκρηξη, η οποία προκαλεί το ωστικό κύμα να διεισδύσει στο εξάρτημα και να δημιουργήσει συμπιεστικές υπολειμματικές τάσεις καθώς η περιοχή διάδοσής του επεκτείνεται. Αυτές οι τάσεις εξουδετερώνουν τη ρωγμή και άλλες μορφές κόπωσης μετάλλων. Η αποκόλληση με λέιζερ μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των μεταλλικών εξαρτημάτων κατά 10-15 φορές σε σύγκριση με τις συμβατικές διαδικασίες.
Το peening με λέιζερ χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Για παράδειγμα, η LSP Technologies και η Airbus έχουν αναπτύξει από κοινού ένα φορητό σύστημα αποκόλλησης λέιζερ που δοκιμάστηκε και αξιολογήθηκε πρόσφατα στις εγκαταστάσεις συντήρησης και επισκευής της Airbus στην Τουλούζη της Γαλλίας.
Το σύστημα καθαρισμού με λέιζερ Leopard θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης αναστέλλοντας την εμφάνιση και την επέκταση ρωγμών που προκαλούνται από κυκλικές δονητικές τάσεις. Η ευελιξία της παροχής δέσμης οπτικών ινών και τα προσαρμοσμένα εργαλεία επιτρέπουν στο σύστημα να εκτελεί λέιζερ δυσπρόσιτων περιοχών του αεροσκάφους. Σύμφωνα με τους εταίρους, το σύστημα είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία κοψίματος με λέιζερ και θα προωθήσει τη χρήση του, συμπεριλαμβανομένης της παράτασης της διάρκειας ζωής των λεπίδων του κινητήρα τζετ, μεταξύ άλλων.
Το Κέντρο Ετοιμότητας του Στόλου των ΗΠΑ στην Ανατολή (FRCE) ολοκλήρωσε επίσης πρόσφατα την επικύρωση μιας διαδικασίας ενίσχυσης κρούσης λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στο αεροσκάφος F-35B Lightning II. Η FRCE χρησιμοποίησε τη διαδικασία για να ενισχύσει το πλαίσιο του F{1}}B Lightning II χωρίς να προσθέσει επιπλέον υλικό ή βάρος που διαφορετικά θα περιόριζε την ικανότητά του να μεταφέρει καύσιμα ή όπλα. Αυτό βοηθά στην επέκταση του προσδόκιμου ζωής του μαχητικού πέμπτης γενιάς, της έκδοσης σύντομης απογείωσης και προσγείωσης που χρησιμοποιείται από το Σώμα Πεζοναυτών των ΗΠΑ.
Διάτρηση με λέιζερ
Οι σύγχρονοι αεροκινητήρες έχουν περίπου 500,000 τρύπες, περίπου 100 φορές τον αριθμό των κινητήρων που κατασκευάστηκαν τη δεκαετία του 1980. Ταυτόχρονα, οι κατασκευαστές αεροσκαφών παράγουν όλο και περισσότερα άλλα εξαρτήματα που έχουν μεγάλο αριθμό οπών για καρφιτσωμένες και βιδωτές συνδέσεις. Επομένως, η γεώτρηση με λέιζερ έχει τεράστιες δυνατότητες αγοράς στον αεροδιαστημικό τομέα, επειδή προσφέρει μια ακριβή, επαναλαμβανόμενη, γρήγορη και οικονομικά αποδοτική διαδικασία.
Για παράδειγμα, αναπτύσσονται νέα συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος femtosecond για αποτελεσματική και ακριβή μικροδιάτρηση μεγάλων πάνελ τιτανίου HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) που θα τοποθετηθούν σε σταθεροποιητές πτερυγίων ή ουρών. Αυτά τα πάνελ αντλούν αέρα μέσω μικρών οπών, μειώνοντας έτσι την αντίσταση τριβής και μειώνοντας την κατανάλωση καυσίμου.
Τα λέιζερ εικόνας χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη διάτρηση εξαρτημάτων αεροσκαφών CFRP
(Πίστωση εικόνας: Laser Center Hannover)
Δεδομένου ότι η διάτρηση με λέιζερ είναι ανέπαφη, το υλικό που επεξεργάζεται δεν χρειάζεται να συγκρατείται με τον ίδιο τρόπο όπως εάν επεξεργαζόταν με συμβατικά εργαλεία. Ένα άλλο πλεονέκτημα της ανεπαφικότητας είναι ότι δεν παρουσιάζεται φθορά του εργαλείου, γεγονός που αντιπροσωπεύει ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα στη λειτουργία της διάτρησης εξαρτημάτων CFRP. Λόγω της σκληρότητάς τους, τα εξαρτήματα CFRP μπορούν να προκαλέσουν πολύ υψηλή φθορά σε συμβατικά εργαλεία. Η διάτρηση με λέιζερ μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες, έτσι ώστε η υπερβολική ζημιά από τη θερμότητα να μην βλάψει το υλικό που επεξεργάζεται.
Κατασκευή προσθέτων
Η κατασκευή προσθέτων λέιζερ (AM) κερδίζει επίσης ταχεία δυναμική στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Σε αυτή την τεχνική, ένα λέιζερ λιώνει συνεχόμενα στρώματα σκόνης για να δημιουργήσει σχήματα. Μια εταιρεία πυραύλων με έδρα την Καλιφόρνια παρήγγειλε μάλιστα πρόσφατα δύο 12-3D εκτυπωτές ακτίνας λέιζερ για να κάνει τις διαστημικές της αποστολές πιο οικονομικές και αποτελεσματικές δημιουργώντας ελαφρύτερα, ταχύτερα και ισχυρότερα διαστημικά στοιχεία.
Ενώ πολλά έργα βρίσκονται ακόμη σε δοκιμαστική φάση, η κατασκευή προσθέτων λέιζερ έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε δύο αποστολές στον Άρη. Το ρόβερ Curiosity της NASA, το οποίο προσγειώθηκε τον Αύγουστο του 2012, ήταν η πρώτη αποστολή που μετέφερε 3D εκτυπωμένα μέρη στον Άρη. Αυτό είναι ένα κεραμικό εξάρτημα μέσα στο όργανο Sample Analysis on Mars (SAM), μέρος ενός τρέχοντος προγράμματος δοκιμών για τη διερεύνηση της αξιοπιστίας της τεχνολογίας κατασκευής προσθέτων.
Εν τω μεταξύ, το ρόβερ Trailblazer της NASA, το οποίο προσγειώνεται στον Άρη τον Φεβρουάριο του 2021, περιέχει 11 μεταλλικά μέρη που κατασκευάζονται με πρόσθετα λέιζερ. Πέντε από τα μέρη βρίσκονται στο Planetary Instrument for Lithochemistry ακτίνων Χ της Trail (PIXL), το οποίο αναζητά σημάδια μικροβιακής απολιθωμένης ζωής στον Άρη. Αυτά τα μέρη πρέπει να είναι τόσο ελαφριά ώστε να μην μπορούν να παραχθούν με παραδοσιακές τεχνικές σφυρηλάτησης, χύτευσης και κοπής.
Η NASA πειραματίζεται επίσης με την κατασκευή πρόσθετων λέιζερ εξαρτημάτων πυραύλων. Σε μια μελέτη, ο θάλαμος καύσης μιας μηχανής πυραύλων κατασκευάστηκε από κράμα χαλκού. Αυτή η συνεχής ανάπτυξη της κατασκευής προσθέτων λέιζερ είχε ως αποτέλεσμα ένα εξάρτημα που μπορεί να κατασκευαστεί με περίπου το μισό κόστος και το ένα έκτο του χρόνου που απαιτείται για την παραδοσιακή μηχανική κατεργασία, τη σύνδεση και τη συναρμολόγηση. Επειδή τα κράματα χαλκού που χρησιμοποιούνται αντανακλούν σε μεγάλο βαθμό τα υπέρυθρα λέιζερ, η NASA διερευνά τώρα πώς τα πράσινα ή μπλε λέιζερ μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση και την παραγωγικότητα.
Ενώ η χρήση της κατασκευής προσθέτων στην αεροδιαστημική είναι ακόμα στα αρχικά της στάδια, αναμένεται να αυξηθεί τα επόμενα 20 χρόνια.
Κέρδος λέιζερ
Το laser grossing είναι επίσης μια πολύ νέα εφαρμογή στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Σε αυτή τη διαδικασία, τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μικρο-νανοδομών στις επιφάνειες του αεροσκάφους μέσω μιας τεχνικής γνωστής ως άμεσης συμβολομετρίας με λέιζερ (DLIP), η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός φυσικού «φαινόμενου λωτού», δημιουργώντας νανοδομές που βοηθούν στην πρόληψη της επιφανειακής μόλυνσης και του πάγου. συσσώρευση στο αεροσκάφος.
Τα καινοτόμα οπτικά συστήματα χωρίζουν έναν ισχυρό υπερταχύ παλμό λέιζερ σε πολλές μερικές δέσμες, οι οποίες στη συνέχεια συνδυάζονται στην επιφάνεια που υποβάλλεται σε επεξεργασία. Όταν παρατηρείται κάτω από ένα μικροσκόπιο, η μικροδομή που προκύπτει μοιάζει με μια μικροσκοπική «αίθουσα» από «κολώνες» ή κυματισμούς. Η απόσταση μεταξύ των «κολωνών» είναι μεταξύ περίπου 150 nm και 30 μm - μια δομή που σημαίνει ότι οι σταγόνες νερού δεν βρέχουν πλέον την επιφάνεια και κολλάνε σε αυτήν επειδή δεν έχουν αρκετό κράτημα στην επιφάνεια.
Τα οφέλη αυτού του υλικού για το αεροσκάφος περιλαμβάνουν αυξημένη απώθηση νερού, πάγου και εντόμων. Αυτά μπορεί να κολλήσουν στην επιφάνεια του αεροσκάφους και να αυξήσουν την αντίσταση του αεροσκάφους στον άνεμο, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση καυσίμου. Η εφαρμογή αυτής της υφής λέιζερ θα μειώσει την ανάγκη για τοξικές χημικές επεξεργασίες που εφαρμόζονται επί του παρόντος στις επιφάνειες των αεροσκαφών για να αποφευχθεί το πάγωμα. Είναι γνωστό ότι φθείρεται με την πάροδο του χρόνου και είναι επιρρεπής σε βλάβες. Επιπλέον, οι κατασκευές λέιζερ που παράγονται με τη μέθοδο DLIP μπορούν να διαρκέσουν αρκετά χρόνια και δεν προκαλούν περιβαλλοντικά προβλήματα.
